基于NAND FLASH阵列的存储技术研究

王杰

【摘 要】随着军用电子装备中数据存储密度的不断增长，基于NAND FLASH的存储技术发展为一个重要的研究方向。本文提出了一种基于NAND FLASH阵列的存储技术，结果表明，本方法能有有效地提高单位面积上的存储密度和读写速度，具有良好的应用价值。

【关键词】高速存储；NAND Flash；存储密度

A Study of Storage Technique Based on NAND FLASH Array

WANG Jie1，2，3

（1.No.38 Research Institute of CETC，Hefei Anhui 230088，China；

2.Key laboratory of Aperture Array and Space Application，Hefei Anhui 230088，China；

3.Key laboratory of Intelligent Information Processing，Hefei Anhui 230088，China）

【Abstract】With the increasing of data storage density in military electronic equipment，the storage technique based on NAND FLASH has become an important research direction.A storage technique based on NAND FLASH array has been proposed in this paper，practice has proved that the storage density pre unit area and write speed can be greatly improved.Results indicated the application value of the proposed method.

【Key words】High speed storage；NAND flash；Storage density

0 引言

随着军用电子技术的快速发展和新体制电子装备不断出现，信息的高速记录作为一项重要的功能被广泛应用于重大空情记录回放、雷达回波数据记录、图形图像实时捕获等，其技术和应用需求日趋迫切[1]。

目前常用的设计方法是采用SATA接口的硬盘作为存储介质[2-4]，通过多个硬盘并行读写以提高读写速度。这种方式的缺点是硬盘体积大、重量大，限制了存储系统的存储密度，读写速度受限于硬盘的读写速度，难以适用于航空、航天等高速大容量实时记录的应用需求。本文提出了一种NAND FLASH阵列的存储技术，具有存储密度高、读写速度快、容量可扩展等特点。可以满足对体积、重量敏感的高速大容量存储需求，具有广泛的应用前景。

1 NAND FLASH 固态存储技术

固态存储由于使用半导体存储芯片作为存储介质，其存储密度高、无转动部件、可靠性高、体积小、重量轻，这些优点使得固态存储在军用、航天领域得到广泛应用。同时在常见的DRAM、SRAM、FLASH Memory、EPROM等存储芯片中，FLASH存储方案以其高密度、非易失性、低功耗、低成本的优势，在大容量存储应用中成为主流。

对于固态存储系统来说，基本存储芯片的选用无疑是决定整个设备性能的基础。本课题旨在研制一种适合军用雷达应用的，基于NAND型FLASH的固态存储器。作为全球最大的NAND型FLASH芯片生产厂商，韩国SAMSUNG电子的产品无论是在性能、尺寸、存储密度还是价格上，与其他厂商相比都具有一定的优势。另外，在封装、管脚定义以及内部结构与工作原理上都是兼容的，因此对于设计人员来说，当系统容量需要扩展时，只需更换更大容量的芯片并对系统做少许改动即可。

以SAMSUNG公司的K9MDG08U5DPIB0芯片为例，其单品容量为16G Byte。其单片读写速度可达20MB/s，支持片内并行读写方式，通过多通道并行编程可进一步提高读写速度。SAMSUNG公司提供的最高级别为工业级，通过筛选和加固可以满足军用、航空等高要求应用场合。

K9MDG08U5D芯片单片容量为16G Byte，片内封装4个4GB？子片。每個子片包含8192个块（block）统一编址，每个块包含128页，每页约4K Byte（4096+218）。为了满足片内并行读写需求，这8192个块分为4个PLANE，PLANE间可并行/交叉操作。数据总线为8位，片内地址为33位：A0—A12为页内地址，A13—A19为块内页地址，A20 为PLANE地址，A21—A32为块地址。

K9MDG08U5D芯片主要操作方式大致分为：写、读、擦除、状态读取4类。其中常用读写操作一般以页为基本单位，如Page Program，Page Read，对一个块的页编程操作要按顺序执行。同时也支持随机读写，直接对页内数据按字节操作，如Random Data Input和Random Data Output。擦除操作Block Erase基本单位为块。芯片支持片内加速读写方式，例如双面读写Two-Plane Read和Two-Plane Page Program，以及交叉读写方式Interleaving Page Program 和 Interleaving Page Read，或者交叉双面读写Interleaving Two Plane Page Program。这些灵活的操作方式可以有效的提高芯片读写速度。

2 存储插件设计

存储插件主要以FPGA+外围设备+FLASH的硬件架构方式实现，其中FPGA实现了系统中FLASH控制器以及CPU核的搭建。在FPGA中使用NIOS II CPU核作为处理器[5]，配合外设IP核搭建了控制计算机，将负责接收接口插件的控制命令，参与存储管理，进行分区以及坏块管理。FLASH控制器负责产生FLASH读写控制时序，控制各片FLASH进行并行数据写入和读出。运用FPGA内的串口、网络控制IP核进行传输通信控制。此外插件的外围设备及接口包括：存储器（扩展内存、固态外存）、FPGA配置、网络、光电、232/422电路、TTL接口、A/D、D/A、时钟和电压转换等电路。

3 FLASH阵列设计

FLASH阵列担负系统的主要存储功能实现，是所有数据最终驻留的地方。为了满足系统记录和回放带宽要求，FLASH芯片应用片内和片间并行读写技术。其中片内采用交叉双面读写方式，片内达到4倍常规读写速度。FLASH芯片逻辑上排列成横竖二维的阵列形状，横向FLASH芯片采用流水线方式进行读写操作，纵向形成多个通道的FLASH组，每个通道独立并行进行读写，以扩展读写位宽。对于M乘以N的FLASH阵列，最终可以实现M*N个FLASH芯片并行读写的带宽。每组FLASH芯片共用一个FLASH控制器，组间由FPGA内的控制计算机来进行统筹控制，从而实现所有FLASH芯片的有序数据读写。

4 结论

随着电子技术的进步和军用电子装备的发展，数据存储对存储密度和读写速度的要求越来越高，传统SATA硬盘的存储方式难以满足需求。本文提出了一种基于NAND FLASH阵列的存储技术，结果表明，本方法可以有效地提高存储密度高和读写速度，可以满足对体积、重量敏感的高速大容量存储需求。

【参考文献】

[1]许正荣，昂志敏.PCI总线主控接口在雷达回波记录与重演设备中的应用[J].现代电子技术，2004，27（5）：21-23.

[2]汪涛.基于SATA总线技术的雷达I/Q数据记录重演系统设计[D].南京：南京理工大学，2014.

[3]侯冰剑.固态硬盘的多通道存储系统设计[D].武汉：华中科技大学，2009.

[4]梁正亮.深空探测应用中的高速数据存储技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2012.

[5]张龙滨.基于NIOS II与IP软核技术的SOPC系统设计与实现[D].长沙：湖南大学，2011.

[责任编辑：田吉捷]